劉洋洋　夏霆　王世祥

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院　南京 211816)

?

城市污水廠污泥與海泥制備陶粒的試驗(yàn)研究

劉洋洋夏霆王世祥

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院南京 211816)

摘要城市污水廠污泥與海泥是難以處理的固體廢棄物，處理不當(dāng)將會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。通過(guò)以污泥、海泥為主要原料，以碳酸鈣為發(fā)泡劑來(lái)制備陶粒，分析各工藝條件對(duì)陶?？箟簭?qiáng)度、吸水率、堆積密度等指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果得出在海泥：污泥：碳酸鈣=5：4：1，預(yù)熱溫度350 ℃，預(yù)熱時(shí)間20 min，焙燒溫度1 120 ℃，焙燒時(shí)間10 min時(shí)，可以制備出性能良好的陶粒。

關(guān)鍵詞海泥城市污泥陶粒工藝條件

Study on Ceramsite Production with Sludge and Sea Mud in Municipal Sewage Plant

LIU YangyangXIA TingWANG Shixiang

(DepartmentofEnvironment,NanjingTechUniversityNanjing211816)

AbstractIt is difficult to treat the sea mud and sludge in municipal sewage plant and the secondary pollution will be brought about without suitable treatment. In the paper, sea mud and sludge are used as the main raw materials, calcium carbonate as the foaming agent, to produce ceramsite, in which the influences of process conditions on packing density, water absorption and compressive strength are analyzed. It can be found that the best ceramsite can be made under the following conditions, sea mud : sludge : calcium carbonate 5:4:1, the preheating temperature 350 ℃, preheating time 20 mins, calcination temperature 1 120 ℃ and calcination time 10 mins.

Key Wordssea mudmunicipal sludgeceramsiteprocess conditions

0引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)污水處理能力的提高以及對(duì)環(huán)境公共基礎(chǔ)建設(shè)的重視，越來(lái)越多的污水處理廠不斷地興建起來(lái)，隨之污泥的產(chǎn)量也逐年增加。截止到2010年底，全國(guó)城鎮(zhèn)脫水污泥的產(chǎn)量近2 200萬(wàn)t，在“十二五”期間污泥的年產(chǎn)量還將以246萬(wàn)m3/a的速度遞增[1]。傳統(tǒng)的污泥處置技術(shù)包括：填埋、焚燒、農(nóng)用和投海等[2-3]，成本高且易造成二次污染，均不適宜用于處理日后如此大量的脫水污泥，因此如何有效地利用污泥，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化是應(yīng)對(duì)逐年增加污泥的主要方法[4]。除了城市污泥，我國(guó)包含七大水系、532條以上大河流以及海岸線的江河入?？冢@些江河湖海每年都會(huì)有大量的淤泥沉積，并且點(diǎn)多面廣，是一種可以替代粘土的新原料，有利于耕地的保護(hù)[5]。

利用污泥制備陶粒在國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究[6]，國(guó)內(nèi)的王佳福等[7]利用城市污泥、煤矸石、赤泥等制備出600級(jí)高強(qiáng)輕集料的陶粒；崔清泉等[8]利用生活污泥、粘土等制備出不同級(jí)別，性能良好的陶粒；翁煥新等[9-10]研究利用城市污泥制備出滿足實(shí)際應(yīng)用的陶粒。目前研究主要集中在將污泥作為燒制工藝中的有機(jī)添加物，使用量較少，還需添加粘土、硅酸鈉等物質(zhì)作粘結(jié)劑，不利于耕地的保護(hù)，使用化學(xué)藥劑造價(jià)較高。本文利用污泥、海泥輔以碳酸鈣制備陶粒，不僅資源化利用了固體廢棄物，在保護(hù)耕地的同時(shí)還可滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)中對(duì)綠色輕質(zhì)陶粒日益增長(zhǎng)的需求。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料

污泥：南京江心洲污水處理廠脫水機(jī)房污泥；海泥：連云港清海淤泥；碳酸鈣：作為發(fā)泡劑；水：自來(lái)水，加水使原料軟化以便成型。污泥與海泥化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　污泥及海泥的化學(xué)成分　%

1.2試驗(yàn)儀器

分析研磨機(jī)：型號(hào)A11(德國(guó)IKA集團(tuán))；電子天平：型號(hào)BS224S(賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司)；干燥箱：型號(hào)DHG-9033BS-III(上海新苗醫(yī)療機(jī)械制造有限公司)；馬弗爐：型號(hào)KSL-1200X(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)；萬(wàn)能試驗(yàn)壓力機(jī)：型號(hào)WDW-100(長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司)。

1.3試驗(yàn)方法

將脫水污泥、海泥放入105 ℃干燥箱內(nèi)烘干，粉碎并過(guò)100目篩，與碳酸鈣按試驗(yàn)比例均勻混合，加適量水成球，然后放置于干燥箱中烘干3 h，目的是脫去顆粒中多余的附著水，防止燒制階段出現(xiàn)裂紋或炸裂，再將烘干的顆粒放置于馬弗爐進(jìn)行預(yù)熱、焙燒、冷卻，最后取出，進(jìn)行陶粒性能的測(cè)定。陶粒制備工藝見(jiàn)圖1。

圖1　陶粒生產(chǎn)工藝流程圖

2結(jié)果與討論

2.1物料配比的影響

在預(yù)熱溫度為400 ℃，預(yù)熱時(shí)間為15 min，焙燒溫度為1 120 ℃，焙燒時(shí)間為12 min的工藝條件下進(jìn)行了一系列不同物料配比的試驗(yàn)，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3(A，B，C，D，E，F(xiàn)分別表示污泥、海泥、碳酸鈣的質(zhì)量比為30:60:10，35:55:10，40:50:10，45:45:10，50:40:10，55:35:10)。

圖2　物料配比對(duì)堆積密度的影響

圖3　物料配比對(duì)吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

在污泥含量較大時(shí)，物料之間的粘結(jié)性會(huì)非常的小，不易陶粒的成型，同時(shí)會(huì)降低陶粒的抗壓強(qiáng)度；在海泥含量較大時(shí)，陶粒在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，純海泥生料球在200 ℃下即發(fā)生炸裂現(xiàn)象。由圖2和圖3可知，隨著污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大(海泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小)，陶粒的顏色由黃變黑，堆積密度和抗壓強(qiáng)度都隨之減小，而吸水率則相反。這是由于SiO2和Al2O3是陶粒形成結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)升至一定的溫度時(shí)，生料球中的石英成分和各種分解物不斷地溶解，當(dāng)Al2O3，SiO2溶解達(dá)到飽和時(shí)則會(huì)析出穩(wěn)定的莫來(lái)石晶體，晶體析出后，溶液相對(duì)Al2O3，SiO2來(lái)說(shuō)又處于不飽和狀態(tài)，因此溶解過(guò)程和晶體析出過(guò)程的不斷進(jìn)行促使了晶體尺寸的不斷增長(zhǎng)，其在生料球中的交錯(cuò)貫穿形成陶粒中的“骨架”，使得陶粒的強(qiáng)度不斷增大?？紤]滿足工程應(yīng)用中陶粒強(qiáng)度的要求，以及盡量多添加城市污泥，選取海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10的比例。

2.2預(yù)熱制度的影響

陶粒制備工藝中預(yù)熱的作用：①使生料球中大部分有機(jī)質(zhì)熱解為氣體后去除，使陶粒輕質(zhì)化；②去除生料球中的水分，避免在升溫過(guò)程中由于水分蒸發(fā)速度過(guò)快而致使陶粒球炸裂，影響陶粒的強(qiáng)度性能。在預(yù)熱過(guò)程中，生料球內(nèi)部顆粒間的間隙與孔隙率變大，生料球密度減小，達(dá)到了超輕的效果。采用合適的預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間不僅有利于制定適宜的燒制制度，同時(shí)也有利于降低能耗，提高陶粒的生產(chǎn)效率。

2.2.1預(yù)熱時(shí)間的影響

在物料配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10，預(yù)熱溫度為350 ℃，焙燒溫度為1 120 ℃，焙燒時(shí)間為12 min的工藝條件下，預(yù)熱時(shí)間選取10，15，20，25 min，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖4　預(yù)熱時(shí)間對(duì)堆積密度的影響

圖5　預(yù)熱時(shí)間對(duì)吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2預(yù)熱溫度的影響

在物料配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10，預(yù)熱時(shí)間為15 min，焙燒溫度為1 120 ℃，焙燒時(shí)間為12 min的工藝條件下，預(yù)熱溫度選取300，350，400 ℃，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　預(yù)熱溫度對(duì)堆積密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4，5和表2可知，隨著預(yù)熱溫度與預(yù)熱時(shí)間的增加，堆積密度逐漸減小，達(dá)到陶粒的輕質(zhì)化，而其對(duì)吸水率與抗壓強(qiáng)度的有一定的影響但并不是十分明顯，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇預(yù)熱溫度為350 ℃，預(yù)熱時(shí)間為20 min。

2.3焙燒制度的影響

預(yù)熱階段后進(jìn)入焙燒階段，焙燒階段使全部有機(jī)物得到充分燃燒，自由水和結(jié)合水得到充分揮發(fā)，形成莫來(lái)石“骨架”。在焙燒階段，溫度和時(shí)間要適宜，溫度過(guò)高或者時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)生的液相過(guò)多，過(guò)燒會(huì)使封閉的氣孔破裂，降低陶粒的抗壓強(qiáng)度，反之焙燒不完全，不能引起顆粒之間的壓力，顆粒間的滑動(dòng)減少，固相反應(yīng)不完全，抗壓強(qiáng)度降低，堆積密度較大。

2.3.1焙燒時(shí)間的影響

在物料配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10，預(yù)熱溫度為350 ℃，預(yù)熱時(shí)間為15 min，焙燒溫度為1 120 ℃的工藝條件下，焙燒時(shí)間選取6，9，12，15，18 min，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，隨著焙燒時(shí)間的增加，陶粒的堆積密度逐漸降低，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，吸水率先減小后增大。這是因?yàn)殡S著焙燒時(shí)間的增加，焙燒越充分，陶粒逐漸達(dá)到完全膨脹，陶粒表面的釉狀物質(zhì)以及莫來(lái)石“骨架”逐漸形成，而在焙燒時(shí)間達(dá)到一定程度后，陶粒表面會(huì)燒出裂縫從而影響陶粒的性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在滿足陶粒性能的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的，選取焙燒時(shí)間為12 min。

圖6　焙燒時(shí)間對(duì)堆積密度的影響

圖7　焙燒時(shí)間對(duì)吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

2.3.2焙燒溫度的影響

在物料配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10，預(yù)熱溫度為350 ℃，預(yù)熱時(shí)間為15 min，焙燒時(shí)間為12 min的工藝條件下，焙燒溫度選取1 050，1 080，1 100，1 120，1 140 ℃，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。

圖8　焙燒溫度對(duì)堆積密度的影響

圖9　焙燒溫度對(duì)吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8、圖9可知，隨著焙燒溫度的升高，陶粒的堆積密度先減小后增大，抗壓強(qiáng)度逐步升高，陶粒的吸水率逐漸降低而在1 120 ℃后又有一定的升高，這是由于溫度在達(dá)到1 120 ℃前，隨著溫度的升高，陶粒表面形成的釉層不斷增多，封閉了陶粒表面的裂隙和孔隙，從而降低了吸水率，增加了強(qiáng)度，而溫度過(guò)高陶粒發(fā)生炸裂現(xiàn)象，吸水率又有一定的上升。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選取焙燒溫度為1 120 ℃。

3結(jié)論

(1)單獨(dú)使用污泥或者海泥難以燒制出陶粒。

(2)當(dāng)海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10、預(yù)熱溫度350 ℃、預(yù)熱時(shí)間20 min、焙燒溫度1 120 ℃、焙燒時(shí)間12 min時(shí)，陶粒的抗壓強(qiáng)度為5.35 MPa，吸水率為15.62%，堆積密度為563 kg/m3，符合GB/T 17431—2010中600級(jí)高強(qiáng)輕集料的要求，脫水污泥利用率達(dá)到最大，以海泥替代污泥，保護(hù)了耕地，同時(shí)適量加入碳酸鈣既可做發(fā)泡劑降低陶粒的堆積密度，又可增大陶粒的孔隙率與吸水率。

(3)利用海泥與城市污水廠污泥燒制陶粒有效地減少了資源浪費(fèi)，為兩大廢棄物的處理提供了一條合理的途徑，有利于可持續(xù)發(fā)展，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念。

參考文獻(xiàn)

[1]張韻.我國(guó)污泥處理處置的規(guī)劃研究[J].給水排水動(dòng)態(tài),2010(4):13-15.

[2]任韻.城市污水處理廠污泥處置方式探討[J].能源與環(huán)境科學(xué),2014(6):193-194.

[3]易龍生,康陸良,王三海,等.市政污泥資源化利用的新進(jìn)展及前景[J].環(huán)境工程,2014,32(S1):992-997.

[4]朱小山,孟范平,趙希錦.城市污泥的處理技術(shù)及資源化展望[J].四川環(huán)境,2002,21(4):8-12.

[5]于.江河湖海淤泥資源化及其在燒磚中的應(yīng)用[J].磚瓦,2007(2):21-24.

[6]JORDAN MM, ALMENDROCANDEL M B, REMERO M. Application of sewage sludge in the manufacturing of ceramic tile bodies[J].Applied Clay Scinece,2005,30(3/4):219-224.

[7]王佳福,呂建明.利用城市污泥制備陶粒的研究[J].硅酸鹽通報(bào),2012,31(3):706-710.

[8]崔清泉,楊曉華,楊飛,等.城市生活污泥生產(chǎn)陶粒的研究與實(shí)踐[J].新型建筑材料.2012(2):30-32.

[9]翁煥新,章金俊,曹彥圣,等.污泥陶粒的性能特征與燒制工藝[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(10):1877-1883.

[10]盧徐節(jié),米鐵,劉延湘.城市污泥焙燒陶粒的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2013,39(12):4-6.

(收稿日期：2015-01-29)

作者簡(jiǎn)介劉洋洋，男，1990年生，碩士，研究方向?yàn)槲勰噘Y源化。